Системы автоматизации и управления технологическими процессами

Казахский агротехнический университет им. С. Сейфуллина

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ

для студентов очного и заочного — дистанционного обучения по специальности 50 718 — Электроэнергетика

Астана 2009

Министерство сельского хозяйства РК УДК 681.5

Учебное пособие подготовлено ст. пр. кафедры «Эксплуатации электрооборудования» И. Н. Волошин.

Рецензенты: Кешуов С. А., д.т.н., профессор кафедры электроэнергетики КазНАУ;

Байниязов Б.А., к.т.н., заведующий кафедрой электроснабжения КазАТУ им. С.Сейфуллина.

Системы автоматизации и управления технологическими процессами: Учебное пособие. — Астана: Каз АТУ, 2009 — 7 2с., ил.

Компьютерный набор текстовой и графической части — Волошин И.Н.

В пособии рассмотрены общие теоретические принципы организации современных систем, автоматизации технологических процессов, представлены сведения о составляющих иерархию автоматизации частях, проведен анализ современных аппаратных и программных средств. Приводятся общие сведения о нормативной и документальной базе разработки и эксплуатации САУ ТП.

Данное пособие дает представления студенту, не только об основах автоматизации, но и рассматривается процесс обучения дисциплиной «Системы автоматизации технологических процессов». Приведены типовые задачи, методика их решения, задания для самостоятельного решения, некоторые справочные данные Рассмотрено и одобрено к изданию — методической комиссия энергетического факультета (протокол № 6 от 22 января 2009 г.)

Учебно-методическим советом Каз АТУ им. С. Сейфуллина (Протокол № 5 от 12 мая 2010)

1.

ВВЕДЕНИЕ

В КУРС САУ ТП

1.1 Предпосылки появления САУ ТП

Современный этап развития промышленного производства характеризуется переходом к использованию передовой технологии, стремлением добиться предельно высоких эксплуатационных характеристик как действующего, так и проектируемого оборудования, необходимостью свести к минимуму любые производственные потери. Все это возможно только при условии существенного повышения качества управления промышленными объектами, в том числе путем широкого применения САУ ТП.

Технико-экономическими предпосылками создания САУ ТП являются, прежде всего, рост масштабов производства, увеличение единичной мощности оборудования, усложнение производственных процессов, использование форсированных режимов (повышенные давления, температуры, скорости реакций), появление установок и целых производств, функционирующих в критических режимах, усиление и усложнение связей между отдельными звеньями технологического процесса. В последнее время в развитии многих отраслей промышленности появились новые факторы, связанные не только с повышением требований к количеству и качеству выпускаемой продукции, но и с напряженностью в области трудовых ресурсов. Рост производительности труда, в том числе путем его автоматизации, становится практически единственным источником расширения производства. Указанные обстоятельства предъявляют новые требования к масштабам использования и к техническому уровню САУ ТП, к обеспечению их надежности, точности, быстродействия, экономичности, т. е. к эффективности их функционирования. Еще одной важной предпосылкой применения САУ ТП в промышленности является необходимость реализации значительных потенциальных производственных резервов. Заметим, что техническая база производства в большинстве отраслей промышленности достигла к настоящему времени такого уровня развития, при котором эффективность производственного процесса самым непосредственным и существенным образом зависит от качества управления технологией и организации производства. Поэтому на первый план выдвигается задача оптимального управления технологическими процессами, решить которую без развитой САУ ТП в большинстве случаев невозможно.

1.2 Система технологического процесса - САУ ТП

Технологические процессы служат материальной базой любого производства, поэтому для повышения таких характеристик производства, как производительность, качество (надежность) выпускаемой продукции, рентабельность производства, необходимо обеспечить «управляемость» процессов и внедрить автоматизированные системы управления ими. В понятие «технологический процесс как объект управления» включается, в частности, технологическое оборудование, кроме датчиков и исполнительных органов, которые являются конструктивными элементами оборудования, но входят в состав технических средств САУ ТП, поэтому управление технологическим процессом в последующем изложении означает управление режимами работы технологического оборудования.

Под термином «управляемый технологический процесс» в дальнейшем понимается такой процесс, для которого определены входные контролируемые воздействия (управляющие, управляемые), установлены детерминированные или вероятностные зависимости между входными воздействиями и выходными параметрами выпускаемого изделия (продукта), разработаны методы автоматического измерения входных воздействий и выходных параметров (всех или их части) и методы управления процессом. Таким образом, управляемый технологический процесс представляет собой процесс, в принципе подготовленный для внедрения САУ ТП, т. е. для создания системы технологический процесс — САУ ТП (Рисунок.1.1).

На Рисунке 1.1 приняты следующие обозначения:

1 — ЭВМ;

2 — устройство связи с оператором;

3 — оператор;

4 — устройство сопряжения с объектом (УСО);

5,9 — автономные устройства визуального контроля;

6,8 — датчики;

7 — исполнительные органы;

10 — технологический объект управления (ТОУ).

Задачу, выполняемую в системе технологического процесса — САУ ТП можно сформулировать следующим образом: по полученным данным о технологическом процессе составить прогноз хода технологического процесса, а также составить и реализовать такой план управляющих воздействий (в том числе изменение режимов работы оборудования), чтобы в определенный момент времени состояние технологического процесса отвечало некоторому экстремальному значению обобщенного критерия качества процесса. Для решения этой задачи необходимо иметь математическую модель процесса, которая составляет основное содержание алгоритма управления, реализуемого САУ ТП.

Рисунок 1.1

1.3 Назначение, цели и функции САУ ТП

Назначение любой автоматизированной системы управления, ее необходимые функциональные возможности, желаемые технические характеристики и другие особенности в решающей степени определяются тем объектом, для которого создается данная система. Для САУ ТП управляемым объектом является так называемый технологический объект управления (ТОУ), представляющий собой совокупность технологического оборудования и реализованного на нем по соответствующим инструкциям или регламентам технологического процесса производства целевого продукта. Приведенное определение ТОУ подчеркивает, с одной стороны, единство процесса и оборудования и, с другой — законченность преобразования входных ресурсов в конечный продукт (металл, электрическая или тепловая энергия, химические вещества, изделия и т. п.).

Управляя ТОУ, САУ ТП воздействует непосредственно на те или иные элементы оборудования: дроссельные и отсечные клапаны, задвижки, заслонки, дозирующие устройства и т. п. Интенсивность этих управляющих воздействий во время эксплуатации выбирают так, чтобы реализуемый в технологическом оборудовании процесс переработки входных материальных и энергетических потоков осуществлялся наиболее целесообразным образом.

При разработке САУ ТП важно правильно выделить объект управления из общей производственно — технологической структуры предприятия. Для этого учитывают назначение и роль отдельных аппаратов, агрегатов и установок, степень зависимости их работы от других, соседних производственных участков, наличие разделительных (буферных) емкостей между ними, наконец, принятую (или желательную) на данном производстве степень централизации управления.

В соответствии с этим в качестве ТОУ могут рассматриваться:

— технологические агрегаты и установки;

— отдельные производства, реализующие самостоятельный, законченный технологический цикл;

— производственный процесс всего промышленного предприятия, если управление им носит в первую очередь и в основном технологический характер, т. е. заключается в выборе и согласовании рациональных режимов работы взаимосвязанных агрегатов, участков и производств.

Назначение САУ ТП обычно можно определить как целенаправленное ведение технологического процесса и обеспечение смежных и вышестоящих систем управления необходимой информацией. В ряде случаев, когда функционирование новых сверхмощных объектов без современной САУ (АСУ) оказывается практически невозможным, назначением такой системы является достижение реализуемости и устойчивости технологического процесса при высокоинтенсивных и экономичных режимах использования оборудования. Создание и функционирование каждой САУ ТП должно быть направлено на получение вполне определенных технико-экономических результатов (снижение себестоимости продукции, уменьшение потерь, повышение производительности труда, качества целевых продуктов, улучшение условий труда персонала и т. п.). Поэтому после определения назначения САУ ТП необходимо четко конкретизировать цели функционирования системы. Примерами таких целей для промышленных технологических объектов могут служить: обеспечение безопасности его функционирования; стабилизация параметров входных потоков; получение заданных параметров выходных продуктов; оптимизация режима работы объекта; согласование режимов работы оборудования. Степень достижения поставленных целей принято характеризовать с помощью, так называемого критерия управления, т. е. показателя, достаточно полно характеризующего качество ведения технологического процесса и принимающего числовые значения в зависимости от вырабатываемых системой управляющих воздействий. В строгой, обычно математической форме, критерий управления конкретизирует цель создания данной системы. Одна из общих постановок вопроса о критерии управления сводится к стремлению получить наибольший экономический эффект, который определяется разностью стоимостей получаемой готовой продукции и сырья, энергии, рабочей силы и других затрат. Оптимальным будет такое управление процессом, которое позволит добиться максимального значения этой разности. Не меньшую роль, чем критерий, играют ограничения, которые должны соблюдаться при выборе управляющих воздействий. Ограничения бывают двух видов: физические, которые не могут быть нарушены даже при неправильном выборе управляющего воздействия, и условные, которые могут быть нарушены, но нарушение приводит к незначительному ущербу, не учитываемому критерием. При управлении часто наиболее существенные факторы учитываются именно ограничениями, а не критерием.

Как правило, общих критерий экономической эффективности управления технологическим процессом неприменим из-за сложности определения необходимых количественных зависимостей в конкретных условиях; в таких случаях формируют частные критерии оптимальности, учитывающие специфику управляемого объекта и дополненные условными ограничениями.

Такими частными критериями, например, могут быть:

— максимальная производительность агрегата при определенных требованиях к качеству продукции, условиях эксплуатации оборудования и т. д.;

— минимальная себестоимость при выпуске продукции в заданном объеме и заданного качества;

— минимальный расход некоторых компонентов, например дорогостоящих присадок или катализатора.

Чтобы добиться желаемого (в том числе оптимального) хода технологического процесса, в системе управления им необходимо в нужном темпе выполнять множество взаимосвязанных действий: собирать и анализировать информацию о состоянии процесса, регистрировать значения одних переменных и стабилизировать другие, принимать и реализовывать соответствующие решения по управлению и т. д. Именно эта «деятельность» системы управления была ранее названа функционированием, т. е. выполнением ею установленных функций. Теперь дадим определение и краткие разъяснения этого понятия.

Функция САУ ТП — это совокупность действий системы, направленных на достижение частной цели управления. При этом в качестве действий рассматриваются заранее предопределенные и описанные в эксплуатационной документации последовательности операций и процедур, выполняемые частями системы. В большинстве случаев под термином «функция САУ ТП» понимают такую законченную совокупность действий, выполняемых системой, которая проявляется вне ее и поэтому имеет определенную потребительскую ценность. Функции САУ ТП в целом как человеко-машинной системы следует отличать от функций, выполняемых комплексом технических средств системы (в том числе средствами вычислительной техники). Неправильно рассматривать вместо функций всей системы (включая человека) только совокупность действий, осуществляемых автоматически ее техническими средствами. Хотя значение подобных действий, реализуемых без участия человека, очень велико, однако они не характеризуют полностью поведение и возможности всей САУ ТП. Как правило, в системе за человеком (оператором, диспетчером) сохраняется главная, определяющая роль в выполнении наиболее сложных и ответственных функциональных задач. Поэтому необходимо рассматривать весь комплекс функций САУ ТП, включая те из них, которые осуществляются при участии персонала. Принято различать информационные и управляющие функции САУ ТП. К информационным относятся такие функции САУ ТП, результатом выполнения которых являются представление оператору системы или какому-либо внешнему получателю информации о ходе управляемого процесса. Характерными примерами информационных функций САУ ТП являются:

— контроль за основными параметрами, т. е. непрерывная проверка соответствия параметров процесса допустимым значениям и немедленное информирование персонала при возникновении несоответствий;

— измерение или регистрация по вызову оператора тех параметров процесса, которые его интересуют в ходе управления объектом;

— информирование оператора (по его запросу) о производственной ситуации на том или ином участке объекта управления в данный момент;

— фиксация времени отклонения некоторых параметров процесса за допустимые пределы;

— вычисление по вызову оператора некоторых комплексных показателей, неподдающихся непосредственному измерению и характеризующих качество продукции или другие важные показатели технологического процесса;

— вычисление достигнутых технико-экономических показателей работа технологического объекта;

— периодическая регистрация измеряемых параметров и вычисляемых показателей;

— обнаружение и сигнализация наступления опасных (предаварийных, аварийных) ситуаций.

Выполняя эти основные информационные функции, САУ ТП своевременно обеспечивает своего оператора (диспетчера) или вышестоящую систему сведениями о состоянии и любых отклонениях от нормального протекания технологического процесса.

Управляющие функции САУ ТП включают в себя действия по выработке и реализации управляющих воздействий на объект управления. Здесь под выработкой понимается определение (на основании полученной информации) рациональных воздействий, а под реализацией — действия, обеспечивающие осуществление принятых после выработки решений.

К основным управляющим функциям относятся:

— стабилизация переменных технологического процесса на некоторых постоянных значениях, определяемых регламентом производства;

— программное изменение режима процесса по заранее заданным законам;

— защита оборудования от аварий;

— формирование и реализация управляющих воздействий, обеспечивающих достижение или соблюдение режима, оптимального по технологическому или технико-экономическому критерию;

— распределение материальных потоков и нагрузок между технологическими агрегатами;

— управление пусками и остановами агрегатов и др.

Перечень всех функций, выполняемых конкретной САУ ТП (т.е. ее функциональный состав), характеризует внешние, потребительские возможности данной системы.

Вопросы для самопроверки

1. Предпосылки внедрения САУ ТП в технологический процесс?

2. Преимущества получаемые от внедрения САУ ТП?

3. Управляемый технологический процесс — это?

4. Задача выполняемая САУ ТП в технологическом процессе?

5. Назначение САУ ТП в технологическом процессе?

6. Что необходимо учитывать при разработке САУ ТП?

7. Функции САУ ТП?

8. Управляющие функции САУ ТП?

2. Современная структура автоматизации

2.1 Иерархическая структура автоматизации

Повышение технико-экономических показателей систем управления техническими процессами (ТП) и производством в целом таких, как качество управления, надежность, снижение затрат на проектирование, безопасность эксплуатации, возможность адаптации систем управления (СУ) к изменяющимся свойствам объектов (ТП) улучшение условий работы оператора в большой степени зависит от используемых технических средств.

В настоящее время системы автоматизации технологических процессов (САУ ТП) компонуются в агрегатные комплексы технических средств (КТС), которые представляют собой сложные системы аппаратных, программных и конструктивных средств, ориентированных на решение как типовых, так и конкретных задач по автоматизации технологических процессов выполняется согласно международной стандартизации, формируемой МЭК (Международная Электротехническая Комиссия).

Задачи автоматизации могут принципиально решаться центральной либо децентрализованной структурой автоматизации. Какая структура подходит лучше, зависит от процесса или производственного цикла, который необходимо автоматизировать. Многие процессы состоят из частичных процессов и структурированы уже с точки зрения техники — децентрализовано. В таких случаях каждой части установки или частичному процессу подчинена собственная система автоматизации. Для нескольких из этих децентрализованных систем автоматизации на подчиняющем уровне выделена дополнительная общая система, координирующая данные подчиняющиеся системы. В зависимости от сложности или величины установок, подлежащих автоматизации, над этим уровнем могут располагаться другие уровни. Иерархические структуры принятия решения приводят к иерархическим структурам автоматизации.

Структурная модель требований, предъявляемых к автоматизации, похожа на пирамиду, разделенную на уровни (Рисунок 2.1). Она позволяет отчетливо разделить задачи автоматизации и их решения соответствующими системами, т. е. системами, оптимально настроенными на соответствующее задание.

1. Уровень датчиков и исполнительных механизмов (полевой уровень).

2. Уровень управления.

3. Уровень управления технологического процесса.

4. Уровень управления производством (верхний уровень).

5. Уровень планирования При решении задач автоматизации для каждого уровня действуют следующие принципы:

1. Получение и обработка информации на каждом уровне должны осуществляться независимо, насколько это возможно;

2. Время обмена информацией между уровнями должно быть как можно меньшим и не критичным по времени;

3. Интерфейсы должны быть определены физически и по содержанию.

Рисунок 2.1 — Иерархия современной распределённой системы автоматизации (Учет рабочих параметров — BDE, учет параметров машин — МDE)

2.2 Задачи уровней автоматизации

Функцией самого нижнего уровня, «полевого», является учет параметров состояния и влияния на параметры тех. процесса. Здесь используются датчики и исполнительные элементы (называемые также исполнительными механизмами).

Датчики — это конструкционные элементы или приборы, преобразующие физические величины, как давление и температура, или концентрацию химических веществ в электрические сигналы.

Исполнительные механизмы — это приводы, насосы, клапаны или захваты.

На уровне управления располагаются контроллеры, осуществляющие непосредственный сбор данных от датчиков и управление исполнительными устройствами. Размер данных, которыми контроллер обменивается с оконечными устройствами, обычно составляет несколько байтов при скорости опроса устройств не более 10 мс.

В последнее время рассматриваемая структура систем управления существенно усложняется, при этом стираются четкие грани между различными уровнями. Это связано с проникновением Internet/Intranet-технологий в промышленную сферу, значительными успехами промышленного Ethernet, использованием некоторых промышленных сетей Fieldbus во взрывоопасных зонах на предприятиях химической, нефтегазовой и других отраслей промышленности с опасными условиями производства. Кроме того, появление интеллектуальных датчиков и исполнительных механизмов и интерфейсов для связи с ними фактически означает появление четвертого, самого нижнего уровня САУ ТП — уровня сети оконечных устройств.

На уровне управления технологическим процессом осуществляется текущий контроль и управление либо в ручном режиме с операторских пультов, либо в автоматическом режиме по заложенному алгоритму. На этом уровне выполняется согласование параметров отдельных участков производства, отработка аварийных и предаварийных ситуаций, параметризация контроллеров нижнего уровня, загрузка технологических программ, дистанционное управление исполнительными механизмами. Информационный кадр на этом уровне содержит, как правило, несколько десятков байтов, а допустимые временные задержки могут составлять от 100 до 1000 миллисекунд в зависимости от режима работы.

На уровне управления производством располагаются обычные IBM-PC-совместимые компьютеры и файловые серверы, объединенные локальной сетью. Задача вычислительных систем на этом уровне — обеспечение визуального контроля основных параметров производства, построение отчетов, архивирование данных. Объемы передаваемых между узлами данных измеряются мегабайтами, а временные показатели обмена информацией не являются критичными.

Данный уровень включает одну или несколько станций управления, представляющих собой автоматизированное рабочее место (АРМ) диспетчера оператора. Здесь же может быть установлен сервер базы данных. На верхнем уровне могут быть организованы рабочие места (компьютеры) для специалистов, в том числе и для инженера по автоматизации (инжиниринговые станции).

Для полноты картины следует упомянуть еще уровень планирования, включающий в себя координирующие и административные функции всего предприятия, как материально-техническое снабжение, планирование мощностей или статистику.

2.3 Обмен информацией между уровнями

Все уровни пирамиды должны иметь вертикальную информационно-техническую связь друг с другом; между ними осуществляется обмен информацией. Этот обмен информацией происходит в обе стороны, снизу вверх и сверху вниз. Рассмотрим такую «вертикальную коммуникацию» на примере полевого уровня — уровня управления. Данные из процесса, напр., измерительные величины подлежат передаче на местный уровень низовой автоматизации. Речь идет о небольшом кол-ве информации, являющейся актуальной в конкретный момент времени, однако, с высоким требованием к скорости передачи информации, напр., сообщение о состоянии опасности, которое должно приводить к быстрой остановке агрегата. Отдельные датчики и исполнительные элементы на работающих сегодня установках зачастую не имеют еще собственной логики и присоединены непосредственно к уровню управления. О коммуникации в собственном смысле говорить еще нельзя, поскольку информация возникает постоянно, напр., в качестве аналогового сигнала. Но и здесь уже заметно влияние микроэлектроники. Так, начинают использовать датчики, способные самостоятельно обрабатывать сигналы, производить предварительную обработку измерительных величин, сравнивать нормальные и предельные значения либо получать и передавать несколько значений. Эти «интеллектуальные» датчики уже сообщаются друг с другом и перемещают, таким образом, часть задач автоматизации на полевой уровень. Тем самым удается, в общем, увеличить производительность обработки данных и одновременно сократить коммуникацию между полевым уровнем и стоящим над ним уровнем низовой автоматизации, т.к. на верхний уровень передаются только релевантные данные в сжатой форме. Более выражена логика компонентов на уровне управления. Уже сегодня они сообщаются не только с системами стоящего выше уровня управления производством, но также и с компонентами внутри своего уровня. Требования к коммуникации на иерархических уровнях различны. На полевом уровне приводы и датчики сообщаются в основном очень интенсивно друг с другом или с вышестоящим уровнем; при этом объем информации относительно мал и срок службы данных невелик. Но высокие требования короткого времени реакции требуют коммуникации в реальном времени. С возрастанием уровней в иерархии задачи автоматизации принудительным образом централизуются в большей степени. Хотя кол-во устройств, участвующих в процессе автоматизации, уменьшается, однако сами эти устройства становятся производительнее. Частотность отдельных передач между ними сокращается, но, напротив, увеличиваются размер и срок актуальности блоков данных, требования к реальному времени понижаются. Несмотря на эти различия, потребность в горизонтальной и вертикальной коммуникации встречается на всех уровнях (см. Рисунок 2.2).

При этом каждый уровень работает в основном с данными, которые ему подчинены. Данные, которые должны передаваться на вышестоящие уровни, необходимо вначале сокращать и сжимать. Связанная с этим информационная концентрация препятствует тому, чтобы один уровень был перегружен данными из другого уровня. Данные, которые должны передаваться на нижестоящий уровень, необходимо перед этим расширить дополнительной информацией. Если эти принципы при структурировании задачи автоматизации будут выполняться, т. е. если каждый уровень будет самостоятельным, насколько возможно, и обмен информацией между уровнями будет минимальным, то объем горизонтального потока информации на каждом уровне будет увеличиваться.

Рисунок 2.2 — Горизонтальная и вертикальная коммуникация — важнейшие элементы любой автоматизации

При прямых связях (двухпунктовых связях), как показано на Рисунок 2.3, коммуникация между двумя компонентами одного уровня возможна только через вышестоящий уровень. Частично это привносит длинный путь для прохождения информации. Информация может запаздывать, если вышестоящая система оказывается с ограниченной пропускной способностью.

Рисунок 2.3 — Компоненты автоматизации с прямыми связями В частности на нижних уровнях, где особенно важна быстрая передача, для горизонтальной коммуникации, для «поперечного движения» внутри одного уровня, нужно идти другим путем. Все устройства и системы уровня автоматизации, между которыми возникают коммуникативные отношения, должны быть связаны друг с другом. Иначе говоря: каждый партнер коммуникации должен быть соединен с каждым другим (Рисунок 2.4). В крупных проектах автоматизации такая структура вскоре станет запутанной.

Рисунок 2.4 — Прямые (двухпунктовые) связи с интенсивным поперечным движением приводят к плохо просматриваемым структурам Рисунок 2.5 — С возрастанием иерархической ступени требование быстрой передачи уменьшается, зато возрастает кол-во информации, передаваемой за один раз Коммуникация внутри различных уровней автоматизации — от полевого уровня до уровня планирования — предъявляет разные требования к шине (Рисунок 2.5). Большое значение для мощности и стоимости шины передачи данных имеют способ и количество передаваемых данных. На полевом уровне между многими партнерами передаются данные малым количеством и высокой степени актуальности. Среда передачи должна быть недорогой. Чем выше иерархическое положение, тем больше характеристик имеют передаваемые данные. Т. е., между немногими партнерами передаются большие пакеты данных, являющиеся актуальными длительное время. Шина должна справляться с таким количеством информации. Независимо от топологии сети для коммуникации используются различные среды передачи с разной степе

2.4 Стандартные решения САУ ТП

Структура САУ ТП в первую очередь определяется средствами и характеристиками взаимосвязи отдельных компонентов комплекса (контроллеров, пультов оператора, удаленных блоков ввода-вывода), т. е. сетевыми возможностями. Гибкость и разнообразие структур САУ ТП зависят от:

— числа имеющихся сетевых уровней;

— возможных типов связи (топологий) на каждом уровне сети: шина, звезда, кольцо;

— параметров сети каждого уровня: типов кабеля, допустимых расстояний, максимального количества узлов (компонентов комплекса), подключаемых к каждой сети, скорости передачи информации, методе доступа компонентов к сети (случайные по времени доставки сообщений или гарантирующие время их доставки).

Рисунок 2.6 — Простейшая структура САУ ТП Указанные свойства САУ ТП характеризуют возможность:

— распределения аппаратуры в производственных цехах;

— объем производства, который может быть охвачен системой автоматизации, реализованного в данной САУ ТП;

— возможность переноса блоков ввода-вывода непосредственно к датчикам и исполнительным механизмам.

Одна из самых простых и популярных структур САУ ТП представлена на Рисунок 2.6. Все функциональные возможности системы четко разделены на два уровня. Первый уровень составляют контроллеры (Уровень управления), второй — пульт оператора (Уровень управления технологическим процессом), который может быть представлен рабочей станцией или промышленным компьютером.

Уровень контроллеров в такой системе выполняет сбор сигналов от датчиков, установленных на объекте управления; предварительную обработку сигналов (фильтрацию и масштабирование), реализацию алгоритмов управления и формирование управляющих сигналов на исполнительные механизмы объекта управления, передачу и прием информации из промышленной сети. Пульт оператора формирует сетевые запросы к контроллерам нижнего уровня, получает от них оперативную информацию о ходе технологического процесса, отображает на экране монитора ход технологического процесса в удобном для оператора виде, осуществляет долговременное хранение динамической информации (ведение архива) о ходе процесса, производит коррекцию необходимых параметров алгоритмов управления и уставок регуляторов в контроллерах нижнего уровня.

Увеличение информационной мощности (количества входных/выходных переменных) объекта управления, расширение круга задач, решаемых на верхнем уровне управления, повышение надежностных показателей приводят к появлению более сложных структур программно-технических комплексов (Рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 — Структура САУ ТП Операционные системы (ОС) семейства Windows фирмы Microsoft практически полностью завоевали рынок офисных компьютеров и активно осваивают уровень промышленной автоматизации. Большинство серверов и рабочих станций функционируют под управлением ОС Windows NT/2000/XP. Некоторые технологии Microsoft уже сейчас стали промышленным стандартом. Использование архитектуры «Клиент-сервер» позволяет повысить эффективность и скорость работы всей системы, повысить надежность и живучесть системы за счет резервирования серверов, рабочих станций, территориальным распределением решаемых задач. Серверы, как правило, выполняются на базе промышленных компьютеров и являются резервируемыми. Наименование серверов в различных САУ ТП различается: сервер базы данных реального времени, сервер оперативной и архивной базы данных, сервер ввода-вывода и др.

Основные функции серверов:

— сбор, обработка оперативных данных от устройств связи с объектом и контроллеров;

— передача команд управления контроллерам с верхнего уровня управления; хранение и отображение информации о заданных переменных;

— предоставление требуемой информации клиентским рабочим станциям;

— архивация трендов, печатных документов и протоколов событий.

Современные САУ ТП, как правило, включают станции инжиниринга, выполненные на базе персональных компьютеров в офисном исполнении. С их помощью осуществляется инженерное обслуживание контроллеров: программирование, наладка, настройка. В некоторых САУ ТП станции инжиниринга позволяют производить также инженерное обслуживание рабочих станций.

Еще одна сторона современных САУ ТП связана с активным проникновением Internet технологий на уровень промышленной автоматизации. Сегодня все ведущие производители инструментального программного обеспечения для систем управления технологическими процессами, как зарубежные, так и отечественные, встраивают поддержку данных технологий в свои продукты. Наиболее широким применением Internet-технологий в САУ ТП является публикация на Web-серверах информации о ходе ТП и всевозможных сводных отчетов. Web-серверы имеют возможность взаимодействовать с сервером БД, который хранит необходимую информацию о процессе. Это позволяет клиенту через браузер (Internet-обозреватель) делать необходимые запросы к базе данных. Такой подход к тому же минимизирует затраты, так как не требует на стороне клиента установки какого бы то ни было дополнительного программного обеспечения, кроме обычных программ-браузеров (Internet Explorer, Netscape Navigator и др.).

Вопросы для самопроверки

1. Предпосылки внедрения САУ ТП в технологический процесс?

2. Преимущества, получаемые от внедрения САУ ТП?

3. Управляемый технологический процесс — это?

4. Задача, выполняемая САУ ТП в технологическом процессе?

5. Назначение САУ ТП в технологическом процессе?

6. Что необходимо учитывать при разработке САУ ТП?

3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ СЕТИ

3.1 Общие сведения

В течение многих лет системы обмена данными строились по традиционной централизованной схеме, в которой имелось одно мощное вычислительное устройство и огромное количество кабелей, посредством которых осуществлялось подключение датчиков и исполнительных механизмов. Такая структура диктовалась высокой ценой электронно-вычислительной техники и относительно низким уровнем автоматизации производства. На сегодняшний день у этого подхода практически не осталось приверженцев. Такие недостатки централизованных САУ ТП, как большие затраты на кабельную сеть и вспомогательное оборудование, сложный монтаж, низкая надежность и сложная реконфигурация, сделали их во многих случаях абсолютно неприемлемыми как экономически, так и технологически. В условиях бурно растущего производства микропроцессорных устройств альтернативным решением стали цифровые промышленные сети (Fieldbus), состоящие из многих узлов, обмен между которыми производится цифровым способом.

На сегодняшний день на рынке представлено около сотни различных типов промышленных сетей, протоколов и интерфейсов, применяемых в системах автоматизации. Среди которых Modbus, PROFIBUS, Interbus, Bitbus, CAN, LON, Foundation Fieldbus, Ethernet и др. Использование промышленной сети позволяет расположить узлы, в качестве которых выступают контроллеры и интеллектуальные устройства ввода-вывода, максимально приближенно к оконечным устройствам (датчикам и исполнительным механизмам), благодаря чему длина аналоговых линий сокращается до минимума.

Каждый узел промышленной сети выполняет несколько функций:

— прием команд и данных от других узлов промышленной сети;

— считывание данных с подключенных датчиков;

— преобразование полученных данных в цифровую форму;

— отработка запрограммированного технологического алгоритма;

— выдача управляющих воздействий на подключенные исполнительные механизмы по команде другого узла или согласно технологическому алгоритму;

— передача накопленной информации на другие узлы сети.

САУ ТП на базе промышленных сетей по сравнению с традиционными централизованными системами имеют несколько особенностей:

— Существенная экономия кабельной продукции. Вместо километров дорогих кабелей требуется несколько сот метров дешевой витой пары. Также сокращаются расходы на вспомогательное оборудование (кабельные каналы, клеммы, шкафы).

— Повышение надежности системы управления. По надежности цифровой метод передачи данных намного превосходит аналоговый. Передача в цифровом виде малочувствительна к помехам и гарантирует доставку информации благодаря специальным механизмам, встроенным в протоколы промышленных сетей (контрольные суммы, повтор передачи искаженных пакетов данных).

Повышение надежности функционирования и живучести САУ ТП на базе промышленных сетей также связано с распределением функций контроля и управления по различным узлам сети. Выход из строя одного узла не влияет либо влияет незначительно на отработку технологических алгоритмов в остальных узлах. Для критически важных технологических участков, возможно дублирование линий связи или наличие альтернативных путей передачи информации. Это позволяет сохранить работоспособность системы в случае повреждения кабельной сети.

— Гибкость и модифицируемость. Добавление или удаление отдельных точек ввода-вывода и даже целых узлов требует минимального количества монтажных работ и может производиться без остановки системы автоматизации. Переконфигурация системы осуществляется на уровне программного обеспечения и также занимает минимальное время.

— Использование принципов открытых систем, открытых технологий, что позволяет успешно интегрировать в единую систему изделия от различных производителей.

В 1978 году Международной организацией по стандартизации (ISO) в противовес закрытым сетевым системам и с целью разрешения проблемы взаимодействия открытых систем с различными видами вычислительного оборудования и различающимися стандартами протоколов была предложена «Описательная модель взаимосвязи открытых систем» (OSI-модель, ISO/OSI Model). Модель ISO/OSI распределяет сетевые функции по семи уровням (Таблица № 3.1).

На физическом уровне определяются физические характеристики канала связи и параметры сигналов, например, вид кодировки, частота передачи, длина и тип линии, тип штекерного разъема и т. д. Наиболее широко распространенный Fieldbus стандарт первого уровня — это интерфейс RS-485.

Канальный уровень определяет правила совместного использования физического уровня узлами сети. Сетевой уровень отвечает за адресацию и доставку пакета по оптимальному маршруту. Транспортный уровень разбирается с содержимым пакетов, производит деление и сборку пакетов.

Таблица 3.1 — Уровни модели OSI

Сеансовый уровень координирует взаимодействие между узлами сети. Уровень представления занимается при необходимости преобразованием форматов данных. Прикладной уровень обеспечивает непосредственную поддержку прикладных процессов и программ конечного пользователя и управление взаимодействием этих программ с различными объектами сети передачи данных.

Все, что находится выше 7-го уровня модели, это задачи, решаемые в прикладных программах. На практике большинство промышленных сетей (Fieldbus) ограничивается только тремя уровнями, а именно физическим, канальным и прикладным. Наиболее «продвинутые» сети решают основную часть задач аппаратно, оставляя программную прослойку только на седьмом уровне. Дешевые сети (например, ModBus) зачастую используют на физическом уровне RS-232 или RS-485, а все остальные задачи, начиная с канального уровня, решают программным путем. Как исключение существуют протоколы промышленных сетей, реализующие все семь уровней OSI-модели, например LonWorks. Большое разнообразие открытых промышленных сетей, интерфейсов и протоколов связано с многообразием требований автоматизируемых технологических процессов. Эти требования не могут быть удовлетворены универсальным и экономически оптимальным решением. Сейчас уже очевидно, что ни одна из существующих сетей не станет единственной, похоронив все остальные. Когда обсуждается вопрос о выборе типа промышленной сети, необходимо уточнять, для какого именно уровня автоматизации этот выбор осуществляется. В зависимости от места сети в иерархии промышленного предприятия требования к ее функциональным характеристикам будут различны.

На каждом уровне технологического процесса производится обработка специфических наборов данных. При выборе конфигурации сосредоточенных и распределенных САУ ТП необходимо учитывать скорость передачи данных, протоколы передачи, физические интерфейсы. Гарантия совместной работы отдельных частей системы возможна лишь при использовании соответствующих стандартов связи между этими частями. Объединение в единую цифровую сеть нескольких устройств образует уникальные системы, как правило, поддерживаемые одним производителем, являющиеся «закрытыми» системами САУ ТП.

Иерархия АСУ промышленных предприятий обычно представляется в виде четырех этажной пирамиды:

Рисунок 3.1 — Иерархия современной распределённой системы автоматизации

3.2 Локальные сети

В технике коммуникации и обработки данных уже несколько лет с успехом используются «локальные сети» (LAN — Local Area Networks) и серийные шины для передачи информации (Рисунок 3.2). Локальные сети берут свое начало с развитием XEROX Corporation в середине 70х годов в США. Они заполнили пробел между зачастую длительной по времени дистанционной передачей данных по телефонному кабелю с одной стороны и быстрой компьютерной связью в «системных шинах», в основном имеющих протяженность лишь несколько метров, с другой стороны.

Сегодня установки автоматизации сообщаются друг с другом уже во многом по локальным сетям. Техника автоматизации предъявляет различные, иногда конкретные требования к локальной сети. Такие требования могут касаться скорости передачи данных, количества подключаемых компонентов автоматизации, а также расширения сети или ее стоимости.

Рисунок 3.2 — Локальные сеть (LAN — Local Area Networks) и серийные шины для передачи информации Каждая из применяемых сегодня сетей отвечает некоторым требованиям в наибольшей степени, другим в меньшей степени. Поэтому локальные сети в принципе разделяются по трем критериям:

— по форме сети (топологии),

— по используемой среде передачи и

— по способу доступа.

Хорошее определение локальным сетям (LAN) дает European Computer Manufacturer Association (ECMA):

— LAN — это система передачи данных, предоставляющая возможность нескольким независимым устройствам сообщаться друг с другом.

— LAN отличается от других информационных сетей тем, что коммуникация ограничивается географической областью в зоне охвата сети.

— LAN использует среду передачи данных со скоростью от средней до высокой, а также с очень низкой частотой ошибок.

Локальные сети обозначаются в научной литературе также часто как шины или шинные системы. Шина — это общая информационная линия, к которой подключены все партнеры коммуникации, т. е. определенный способ транспортировки данных.

В зависимости от случая применения шины могут быть реализованы физически по-другому. Наряду с линией различают форму звезды, кольца, дерева. Каждая из этих структур (или топологий) имеет определенные преимущества и находит соответствующее применение в различных отраслях техники автоматизации. На Рисунок 3.3 показаны основные структуры. При необходимости использования в коммуникации телефонных линий и мини-АТС образуется структура в форме звезды. Расширения в звездообразной структуре, в общем, не выгодны, звезда не гибкая, поскольку центральная станция должна располагать возможностью подключения для каждой вновь подключаемой системы — иметь необходимый разъем. Кроме того, вся горизонтальная коммуникация осуществляется через централь, что имеет значительный недостаток. И, наконец, по этой причине функция всей сети зависит от централи. В кольцеобразной форме управление и контроль сети разделены зачастую между всеми участниками.

Сетевые узлы — это другое наименование участников — имеют по два разъема, которыми они связаны с другими участниками.

Рисунок 3.3 — Компоненты автоматизации соединяются друг с другом различными способами Они постоянно активны и регенерируют проходящие сообщения. Из-за такого усиления сигнала кольцеобразные сети могут тянуться на большие расстояния. Однако их недостаток в том, что каждая станция должна быть в постоянной готовности, т.к. в противном случае кольцо будет прервано и вся сеть будет нарушена. Из соображений надежности работы колец должно быть два, т. е. в конструкции должен быть предусмотрен резерв. С точки зрения кабельного соединения кольцо является самой дорогостоящей формой. Чистая кольцеобразная структура, как изображено на Рисунок 3.3, на практике вряд ли встречается. Если в здании устанавливают кольцеобразную систему и в последствии ее расширяют, она, скорее всего, выглядит, как показано на Рисунок 3.4. Линия, напротив, является самым дешевым видом кабельного соединения. Она не зависит от иерархического расположения участников. Все участники разветвлениями подключены к общему кабелю. В противовес кольцевой структуре здесь используется лишь половина кабеля. Линейная структура имеет также множество других преимуществ, т.к. есть физическая возможность коммуникации каждой станции с каждой другой. Поэтому сегодня повсеместно она используется синонимом понятию «шина». Древовидная структура представляет собой модификацию линейной структуры, множество «ветвей» соединено со «стволом». Расширения возможны с помощью присоединения дальнейших ветвей. Таким образом, возникают крупные сети, в которых могут интегрироваться подсети с различной топологией.

Рисунок 3.4 — Кабельное соединение в кольцеобразной сети внутри здания не выгодно Среда передачи должна быть недорогой. Чем выше иерархическое положение, тем больше характеристик имеют передаваемые данные. Т. е., между немногими партнерами передаются большие пакеты данных, являющиеся актуальными длительное время. Шина должна справляться с таким количеством информации. Независимо от топологии сети для коммуникации используются различные среды передачи с разной степенью мощности.

Шины конструируются из кабелей, так называемых передающих сред. В основном различают три среды передачи данных: скрученный двужильный кабель (twisted pair), коаксиальный кабель и за последнее время все более часто применяемый световод (стекловолоконный волновод).

3.3 AS-интерфейс

AS-интерфейс (Actuators/Sensors interface — интерфейс исполнительных устройств и датчиков) является открытой промышленной сетью нижнего (полевого) уровня систем автоматизации, которая предназначена для организации связи с исполнительными устройствами и датчиками. AS-интерфейс позволяет подключать датчики и исполнительные механизмы к системе управления на основе построения сети с использованием одного двухжильного кабеля, с помощью которого обеспечивается как питание всех сетевых устройств, так и опрос датчиков и выдача команд на исполнительные механизмы.

При наличии в системе специальных модулей AS-интерфейс позволяет подключать обычные широко распространенные датчики и исполнительные механизмы. Кроме того, в настоящее время существенно расширяется номенклатура датчиков и исполнительных механизмов со встроенной в их электронную часть интегральной микросхемой ведомого устройства AS-интерфейса.

Гибкость управления системой достигается за счет применения различных ведущих устройств. Функции ведущих устройств могут выполнять программируемые логические контроллеры, промышленные компьютеры или модули связи с сетями более высокого уровня — ModBus, Interbus, CANopen, DeviceNet, Profibus и др.

Физические характеристики Наиболее важными физическими характеристиками AS-интерфейса и его компонентов являются следующие: 2-жильный кабель для передачи сигналов и подачи напряжения питания.

Можно использовать простой 2-жильный кабель с поперечным сечением 2×1.5 мм2. Необходимости в использовании экранированного кабеля или витой пары нет. По одному кабелю передаются одновременно и данные, и напряжение питания. Мощность, которая может быть подана на ведомое устройство, зависит от используемого блока питания AS — интерфейса.

Для выполнения соединений оптимальным образом предлагается кабель специального профиля, исключающий подключение с неправильной полярностью и позволяющий производить подключение пользовательских модулей AS-интерфейса методом прокалывания оболочки кабеля.

Древовидная топология сети при длине кабеля до 100 м Древовидная топология AS-интерфейса позволяет использовать любую точку сегмента кабеля как начало новой ветви. Суммарная длина всех подсекций может достигать до 100 м.

Таблица 3.2 — Отличительными чертами AS-интерфейса являются следующие основные характеристики

3.4 HARTПротокол

Унифицированный сигнал 4 — 20 мА для передачи аналоговых сигналов известен несколько десятков лет и широко используется при создании САУ ТП в различных отраслях промышленности. Достоинством данного стандарта является простота его реализации, использование его во множестве приборов, возможность помехоустойчивой передачи аналогового сигнала на относительно большие расстояния. Однако при создании нового поколения интеллектуальных приборов и датчиков потребовалось наряду с аналоговой информацией передавать и цифровые данные, соответствующие их новым расширенным возможностям.

С этой целью американской компанией Rosemount был разработан протокол HART (Highway Addressable Remote Transducer). HART-протокол основан на методе передачи данных с помощью частотной модуляции стандарта BELL 202 FSK, при этом цифровой сигнал накладывается на аналоговый токовый сигнал. Частотно-модулированный сигнал является двухполярным и при использовании соответствующей фильтрации не искажает основной аналоговый сигнал 4 — 20 мА.

Стандарт BELL 202 FSK — кодировка сигнала методом частотного сдвига для обмена данными на скорости 1200Бод. Сигнал накладывается на аналоговый измерительный сигнал 4 — 20мА. Поскольку среднее значение FSK сигнала равно 0, то он не влияет на аналоговый сигнал 4 — 20мА.